Вчені почали досліджувати поведінку газів при різних зовнішніх умовах з другої половини XVII століття. Протягом майже двох століть були експериментально відкриті основні газові закони фізики, аналізуючи які Еміль Клапейрон в 1834 році записав універсальне рівняння стану. Розглянемо докладніше в статті ці закони.

Ідеальні гази

Перш ніж переходити до опису законів газів у фізиці, дамо характеристику моделі, на яку вони спираються. Мова йде про моделі ідеального газу. Згідно їй, розглянуте агрегатний стан матерії складається з невзаємодіючих один з одним частинок (атомів і молекул), які вважають безрозмірними. Частинки рухаються зі швидкостями кілька сотень метрів в секунду в різних напрямках. Їх середня кінетична енергія характеризує температуру всієї системи, а зіткнення зі стінками судини призводять до появи тиску в ній.


Поведінка реальних газів, які знаходяться при не дуже великих тисках і температурах в кілька сотень кельвін, добре узгоджується з передбаченнями описаної моделі. Наприклад, земне повітря можна вважати ідеальною сумішшю газів.

Закон Бойля-Маріотта

Розглядаючи з точки зору термодинаміки гази, газовий закон Роберта Бойля і Эдма Маріотта слід назвати в першу чергу, оскільки він був експериментально відкрито раніше всіх інших законів (друга половина XVII століття). Він свідчить, що при постійній температурі в закритому газовій системі будь-яка зміна обсягу призводить до обернено пропорційним зміні тиску. Математично закон записується в наступних двох формах: P*V = const при T = const; P 1 *V 1 = P 2 *V 2 . Графік закону Бойля-Маріотта називається ізотермою. Вона являє собою гіперболічної залежність функцій P(V) або V(P).

Закони Шарля і Гей-Люссака

Обидва закону газів у фізиці були відкриті приблизно в один і той же час (кінець XVIII - початок XIX століть) французами Шарлем та Гей-Люссаком. Закон Шарля описує поведінку газової системи під час изобарного процесу, тобто переходу між рівноважними станами при постійному тиску. Закон свідчить, що при збільшенні температури в зазначених умовах обсяг зростає прямо пропорційно. Математично його записують наступним чином:


V/T = const при P = const; V 1 /T 1 = V 2 /T 2 . Закон Шарля можна отримати експериментально, якщо в циліндр під рухомий поршень закачати певний обсяг газу, а потім нагрівати систему і фіксувати в ній температуру і обсяг. Третій основний газовий закон, що носить прізвище Гей-Люссака. Він описує поведінку системи під час ізохорний процесу, тобто при постійному обсязі. Якщо в попередньому випадку газ закачувався у циліндр з рухомим поршнем, то в законі Гей-Люссака об'єм циліндра фіксований. Змінюються лише тиск і температура. Математично виражають так: P/T = const при V = const; P 1 /T 1 = P 2 /T 2 . Видно, що ця залежність нічим не відрізняється від попередньої. Тільки в даному випадку замість величини V варто P. Графіки ізобари (P=const) і изохоры (V=const) являють собою прямі лінії з позитивним нахилом, оскільки збільшення обсягу (тиску) завжди призводить до зростання абсолютної температури. Важливо запам'ятати, що наведені в цьому пункті формули справедливі тільки в тому випадку, якщо в них використовувати температуру в одиницях абсолютної шкали, тобто в кельвінах.

Закон або принцип Авогадро

На початку того ж самого XIX століття італієць Амедео Авогадро, досліджуючи поведінку різних газів, узятих у різних кількостях, прийшов до дивовижного висновку. Вчений експериментально показав, що різні гази при однакових тисках і температурах займають об'єм, пропорційний кількості речовини в молях. У вигляді формули цей принцип представляється так: n/V = const при T, P = const; n 1 /V 1 = n 2 /V 2 . Важливий висновок, який можна зробити з цього закону газів у фізиці, полягає у відсутності в ньому залежно від хімічного складу. Зазначимо, що на принципі Авогадро заснований закон парціальних тисків для суміші ідеальних газів, який носить прізвище Дальтона.

Закон Клапейрона-Менделєєва

Він також називається законом стану газів і узагальнює експериментальний досвід усіх попередніх законів. Відповідне рівняння вперше записав Еміль Клапейрон в 1834 році, а Менделєєв увів постійну універсальну для газів R. Рівняння Клапейрона-Менделєєва має вигляд: P*V = n*R*T. Кожен школяр може отримати з нього будь-який з перерахованих вище законів газів у фізиці, якщо зафіксує дві відповідні змінні.